螺纹式接箍及其系统以及制造螺纹式接箍的方法与流程

本申请要求于2017年10月30日提交的美国临时专利申请号62/578,941的优先权；该申请的全部内容通过援引并入本文。

本发明涉及与套管接箍有关的设备和方法，该套管接箍可以用于钻探油气井。本申请尤其涉及一种石油工业用管材套管接箍。

背景技术：

油气井以及比如地热井等其他类型的井典型地使用旋转钻机、钻管和钻头从井表面钻至希望的井下位置。在这些井中，套管用作结构固位件和管道。

用于生产石油、天然气或其他地层流体的井筒典型地是分阶段钻探的。例如，首先可以用钻柱和具有特定直径的第一钻头来钻探井筒。在井筒的第一部分的希望深度处，将钻柱和钻头从井筒移除。然后，可以将更小直径的管状构件(通常被称为套管或套管柱)放置在井筒的第一部分中。在井筒的内径与套管柱的外直径之间形成的环空通常用水泥填充。水泥为套管提供支撑，并且使井下地层或地下层彼此隔离。

通常，钻探井筒的下一步是将具有更小直径的第二钻头的钻柱穿过第一套管柱，并且钻探井筒的另一部分至超过第一套管柱深度的选定深度。钻探井筒和安装套管柱的这个序列可以根据需要重复多次，而使用的部件越来越小，直到实现井筒的最终希望的深度或井下位置为止。

北美的大多数井也是水平钻探的，然后通过套管(水力压裂)完井。水平井可能需要旋转套管，以减小管路与井筒的摩擦并且防止套管柱由于摩擦引起的压缩荷载而屈曲并且粘连，从而允许套管柱前进至其总深度。旋转产生套管柱扭矩。水力压裂可能向套管柱施加高的内压和拉伸荷载，这是由膨胀和热效应以及套管柱重量产生的。

井可能需要数千英尺的套管。例如，如果实施水力压裂完井，则可以将井筒钻至10,000英尺深、并且进一步水平钻探另外的10,000英尺。这样，多个管路部段连接在一起以形成套管柱，并且这些管路部段通过螺纹式接箍相连。接箍(“盒”)和管路部段(“接头”)的许多规格是由美国石油学会(“api”)标准化的。由api接箍构成的套管连接件相对于管路具有低的扭矩能力。

油田接箍必须满足强度规格以维持套管柱的机械完整性。每当套管柱用于水力压裂完井时，尤其对接箍的强度进行最大的测试。大部分套管柱失效发生在连接件中。因此，现有技术需要可以经济地制造的坚固且可靠的接箍。

技术实现要素：

所披露的实施例涉及一种螺纹式接箍，该螺纹式接箍包括：第一端；第二端；该螺纹式接箍的第一部分，该第一部分限定了第一螺纹轮廓；该螺纹式接箍的第二部分，该第二部分限定了与该第一螺纹轮廓不同的第二螺纹轮廓，其中，该第二螺纹轮廓的邻近该第二端的至少前两个螺纹根据额外加工角而减小高度。

附图说明

图1是根据示例性实施例的接箍的截面示意图。

图2展示了根据示例性实施例的接箍的截面的顶部分的示意图。

图3展示了根据示例性实施例的接箍的偏梯形螺纹形状的示意图。

图4展示了根据示例性实施例的位于接箍的中段处的释放凹槽的示意图。

图5展示了根据示例性实施例的接箍的带有加工角的端部的示意图。

图6展示了根据示例性实施例的与管状销连接的接箍的示意图。

图7展示了根据示例性实施例的标示接箍的第二端(工厂侧)的永久性标记。

具体实施方式

通过参考图1至图7来最佳地理解本发明的优选实施例以及其优点，其中，相同的数字指代相同和相似的零件。

本申请中使用的术语“石油工业用管材(octg)”包括与钻探、生产、或维修油井、天然气井、地热井或任何其他地下井筒相关联的套管、管系、小接头、接箍、以及任何其他类型的管路或管状构件。

各种各样的石油工业用管材(octg)和广泛使用的套管辅件可以通过根据本发明的教导形成的螺纹式连接件而彼此接合。对于某些应用，管状构件可以是套管柱的用于钻探和完成井筒的区段(未明确示出)。

参考图1，接箍50可以具有较短的长度、相同的外直径、以及与用于石油工业用管材的标准api接箍相关联的大部分螺纹元件尺寸和构型。接箍50可以被描述为管的相对短的区段，该接箍可以部分地由第一端51和第二端52限定，其中，纵向孔54在这两端之间延伸。

根据示例性实施例，接箍50可以包括在纵向孔54内形成的分别从第一端51和第二端52延伸的第一内螺纹轮廓61和第二内螺纹轮廓62。在一些实施例中，第一内螺纹轮廓61和第二内螺纹轮廓62可以是镜像的。中心平面或中段56可以大致限定接箍50的中部，该中部限定了释放凹槽92。对于一些应用，第一内螺纹轮廓61和第二内螺纹轮廓62可以包括用于octg的偏梯形螺纹。

仍然参考图1，第一内螺纹轮廓61(现场侧)可以具有与第二内螺纹轮廓62(工厂侧)的节圆直径不同的节圆直径。因此，接箍50可以包括第一节圆直径和第二节圆直径。第二内螺纹轮廓62的节圆直径可以小于第一内螺纹轮廓61的节圆直径，其目的是确保工厂侧具有较高的上紧扭矩。换言之，第二内螺纹轮廓62的牙顶直径可以小于第一内螺纹轮廓61的牙顶直径。

图2展示了，接箍50的更靠近第一端51的第一部分57可以具有第一锥度71，并且接箍50的更靠近第二端52的第二部分58可以具有第二锥度70。根据示例性实施例，第一部分57的锥度71和第二部分58的锥度70可以具有相同或相似的锥角。因此，第一部分57的锥度71可以与第二部分58的锥度70相同。在第一部分57的锥度71与第二部分58的锥度70相同的实施例中，第一部分57的锥度71穿过的点可以与第二部分58的锥度70穿过的点不同，因为与第二部分58相关联的螺纹62的节圆直径可以具有比与第一部分57相关联的螺纹61更小的牙顶直径。

可以使用攻丝机和设备(未明确示出)来分别在第一部分57和第二部分58上形成内螺纹轮廓61和62。此外，接箍50可以与一个或多个销接合。

各种类型的动力工具和设备(未明确示出)可以用于将接箍50与第一销20a(图6)接合。以类似的方式，接箍50可以与第二销20b接合。第一销20a可以通过接合第一部分57的螺纹来接合接箍50，并且第二销20b可以通过接合第二部分58的螺纹来接合接箍50(参见：图6)。第一销20a可以接合具有第一节圆直径的第一内螺纹轮廓61，并且第二销20b可以接合具有第二节圆直径的第二内螺纹轮廓62。根据示例性实施例，第一销20a和第二销20b的设计和构造可以基本上相似。第二销20b(工厂销)可以在工厂制造期间接合接箍50，该第二销可以接合接箍50的第二部分58(工厂侧)；第一销20a(现场销)可以在井场处接合接箍50，该第一销可以接合接箍50的第一部分57(现场侧)。

图6示出了第一销20a和第二销20b，如一般具有带纵向孔24的细长中空套管区段。第一销20a和第二销20b还可以包括螺纹轮廓。销20a、20b的相应螺纹轮廓可以具有相同或相似的节圆直径。

第一销20a的最末端30a(即“现场端”)和第二销20b的最末端30b(即“工厂端”)可以在接箍50的中段56处彼此直接接触。最末端30a与最末端30b之间的这种接触可以产生邻接或对接的径向扭矩肩部，该扭矩肩部邻近接箍50的中段56。最末端30a与最末端30b之间的直接接触可以确保在套管柱前进和旋转期间施加的轴向压缩荷载和大部分扭转荷载将传递到相邻的管状构件20a和20b，而不是传递到接箍50的相邻螺纹侧面。以此方式，接箍50可以在第一销20a与第二销20b之间不包括肩台或环。

在一些实施例中，接箍50可以包括凹槽、符号、或其他永久性标记95，其仅位于接箍50的工厂端(第二区段58)的外部上(参见图2、图6和图7)。由于节圆直径不同，接箍50应该标示哪一端51、52是工厂端。在制造过程中，可以在接箍50的工厂端中蚀刻或加工出凹槽、符号或其他永久性标记95。

再次参考图2，接箍50可以包括j55、k55、n80、l80、c90、r95、t95、p110或c110接箍坯料。当使用p110接箍坯料时，p110接箍坯料的拉伸强度可以比标准化的p110拉伸强度弱。接箍坯料的拉伸强度可以通过热处理被减弱。

如图2中所示，第二部分58可以包括锥角70和额外加工角72。在一些实施例中，第一部分57可以类似地包括锥角71和额外加工角，但优选实施例仅在工厂端上实施额外加工角72。在一些实施例中，额外加工角72可以与第二部分58的锥角70不同。

节圆直径62和61可以根据锥角70从第一端51或第二端52向中段56减小。根据示例性实施例，额外加工角72可以影响螺纹轮廓61或62的前3-5个螺纹。额外加工角72可以比锥角70大了大致1-5°。例如，如果锥角70是5°，则额外加工角72可以是10°。如图5中所示，额外加工角72致使最接近端51、52的螺纹90的高度根据额外加工角72而变短。最接近端51、52的螺纹90的牙顶也根据额外加工角72而成角度，但最接近端51、52的螺纹90的牙底以锥角70、71进行切割。以额外加工角72加工出的螺纹数量可以是最接近端51、52的2-5个螺纹。额外加工角72可以通过在形成节圆直径61、62之前的另一个加工工序来产生。

额外加工角72的作用减小了对接箍50的最后一个螺纹的应力，该螺纹通常是承受最大应力的螺纹。减小对最后一个螺纹的应力可以降低接箍50中的失效机会。

参考图3，展示了偏梯形螺纹轮廓80的特写。如图所示，每一个偏梯形螺纹可以包括插入侧面和承载侧面。插入侧面可以比承载侧更靠近中段56。螺纹形状80的承载侧面可以承载套管柱的荷载。

图4展示了释放凹槽92。在一些实施例中，释放凹槽92提供了用于补集的螺纹化合物的容器，并且可以允许通过在制造期间消除对完美的螺纹区台的需要来实现经济性。

虽然以上已经详细地描述了几个实施例，但其他修改是可能的。例如，上文所描述的逻辑流程不需要所描述的特定顺序或相继顺序来实现希望的结果。可以提供其他步骤，可以从所描述的流程中消除步骤，并且可以将其他部件添加到所描述的系统或从所描述的系统去除。其他实施例可以位于本发明的范围内。

根据前述内容将观察到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现许多变体和修改。应理解的是，并不意使或不应推断出关于本文所描述的特定系统或方法的限制。当然，旨在覆盖如落入本发明的精神和范围内的所有这种修改。